可持续环氧复合材料的开发与综合表征：Palmyra palm husk fiber与Aegle marmelos果皮粉协同增强

《Materials Today Communications》：Development and Comprehensive Characterization of Sustainable Epoxy Composites Reinforced with Palmyra Palm Husk Fiber and Aegle marmelos Fruit Peel Powder

　　

本研究介绍了以Palmyra palm husk fiber和Aegle marmelos果皮粉增强的可持续环氧复合材料的开发与综合表征，利用两种丰富的农业废弃物作为环境友好型增强材料。复合材料采用手糊成型（hand lay-up）技术制备，并通过拉伸、弯曲、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析进行表征。加入10 wt.% Aegle marmelos果皮粉使测试试样的拉伸响应提高；然而，由于每种配方仅评价一个试样，观察到的改善应视为初步结果，需通过重复测试验证；最大载荷从仅纤维复合材料的约12 MPa提高到14.1 MPa，同时延性和能量吸收改善。S1的最大表观弯曲应力约为28.4 MPa，S2约为26.3 MPa。尽管加入Aegle marmelos果皮粉未提高峰值弯曲应力，但S2复合材料表现出更渐进的峰后响应，表明弯曲下损伤容限改善。断口表面SEM显微照片显示局部纤维拔出、孔隙、裂纹以及相对连续的基体–纤维接触区域。这些特征为纤维–基体相互作用和断裂机制提供定性证据；然而，研究人员未进行定量孔隙率和拔出测量。X射线衍射（XRD）分析确认木质纤维素结构保持，S1和S2的Segal结晶度指数分别为19.30%和18.01%，表明加入Aegle marmelos果皮粉后相对结晶度略有下降，并在26°和38°（2θ）出现额外衍射峰；FTIR光谱通过3400、2900、1580、1210和800 cm^-1的特征谱带确认果皮粉成功掺入。这些发现表明，Aegle marmelos果皮粉是一种有前景的可持续生物填料，可用于开发具有改善力学性能和结构完整性的轻质环境友好型环氧复合材料。

研究背景：近年来，可持续工程材料需求增长，天然纤维增强复合材料因低密度、可生物降解、可再生、低成本及较低环境影响而成为合成纤维复合材料的替代选择；木质纤维素纤维具有良好比强度和比刚度，可用于兼顾强度与可持续性的半结构应用。环氧树脂因力学性能、尺寸稳定性、耐化学性和对增强纤维的良好粘附而成为重要热固性基体。然而，天然纤维增强环氧复合材料仍存在问题：木质纤维素纤维中的纤维素和半纤维素羟基使其亲水，降低与疏水聚合物基体的相容性；纤维形态、化学组成、结晶度和界面粘附影响应力传递和力学性能；Palmyra palm husk fiber表面粗糙有利于机械互锁，但其非均相特征和天然孔隙可能降低界面粘附并形成孔隙。Aegle marmelos果皮作为农业废弃物含纤维素、半纤维素、木质素、果胶及生物活性化合物，果皮粉有望填充环氧基体微孔、提高基体连续性和纤维–基体粘附。已有研究多分别研究天然纤维增强环氧复合材料和农业废弃物填料，联合增强Palmyra palm husk fiber与Aegle marmelos果皮粉的环氧复合材料研究很少，且其微观结构、化学组成、结晶行为与力学性能之间的关联尚不清晰。因此，研究人员开展本研究。

研究人员以Palmyra palm husk fiber为增强体，加入10 wt.% Aegle marmelos果皮粉（相对于纤维质量），采用手糊成型制备S1（仅纤维）和S2（纤维+果皮粉）复合材料，并进行拉伸、弯曲、SEM、XRD和FTIR表征。结果表明，果皮粉使拉伸最大应力由约12.0 MPa提高到14.1 MPa，断裂应变由约5.6%提高到约14.0%；表观弯曲峰值由S1的约28.4 MPa降至S2的约26.3 MPa，但S2峰后响应更渐进，提示弯曲损伤容限改善；XRD显示木质纤维素结构保持，Segal结晶度指数由19.30%降至18.01%，并出现26°和38°（2θ）新峰；FTIR显示特征木质纤维素谱带，提示果皮粉成功掺入及物理相互作用，而非新共价键形成；SEM显示局部纤维拔出、孔隙、裂纹及相对连续的基体–纤维接触。研究意义在于利用两种丰富的农业废弃物进行废物增值，为轻质、环境友好型环氧复合材料提供可持续生物填料思路；但每配方仅一个试样，结果属初步筛选。

关键技术方法（不超过250字）：原料来自成熟Palmyra棕榈果壳和废弃Aegle marmelos果皮，经清洗、干燥、研磨和过筛；采用Lapox L-12环氧树脂与K-6固化剂按2:1体积比，手糊成型并室温固化；S1为50 g纤维单层，S2为50 g纤维加5 g果皮粉（10 wt.%相对纤维质量）；拉伸按ASTM D638-22，弯曲基于ASTM D790-21采用短跨三点弯曲；以SEM、XRD和FTIR表征；每配方n=1，未定量孔隙率、粒径分布、纤维拔出长度和界面结合；未涉及临床样本队列。

研究结果：3.1 拉伸分析（Tensile Analysis）：通过拉伸应力–应变曲线，S1在约5.6%应变和12.0 MPa达到峰值后急剧下降；S2在约11.5–12.0%应变和约14.1 MPa达到峰值，并于约14.0%应变失效，曲线下面积更大，表明拉伸能量吸收更高；但n=1，差异不能解释为统计显著。果皮粉可能通过应力重分布和载荷传递改善响应，但未提供化学键合的直接证据。3.2 弯曲性能（Flexural Properties）：通过短跨三点弯曲，S1最大表观弯曲应力约28.4 MPa，S2约26.3 MPa；S2峰后更渐进，在约26 MPa附近较稳定后缓降，表观变形能力较高，提示损伤容限改善；因跨深比约5.66和6.13，剪切变形不可排除，结果为表观弯曲响应；未真空脱气，孔隙对S2弯曲载荷的贡献不能定量分离。3.3 扫描电子显微镜（SEM）：通过断口SEM，Palmyra palm husk fiber表面粗糙，具纵向脊、沟槽和微纤特征，并见小孔和浅表裂隙，有利于机械互锁；复合物结构更致密，见局部富填料区、纤维拔出、微裂纹、小孔隙及相对连续的基体–纤维接触；这些为定性证据，未定量填料分散、界面结合、拔出和孔隙含量。3.4 X射线衍射（XRD）分析：通过XRD，S1和S2均在10°–30°（2θ）出现宽峰，S1在17–18°（2θ）有主宽峰，表明半结晶木质纤维素结构；S2保留主峰并出现26°和38°（2θ）较强峰，可能关联果皮粉引入的结晶无机成分，但未定相；Segal法结晶度指数S1为19.30%，S2为18.01%，相对结晶度略降。3.5 傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析：通过FTIR，S2在3400 cm^-1（O–H）、2900 cm^-1（C–H）、1580 cm^-1（芳香C=C）、1210 cm^-1（C–O）和800 cm^-1（C–H面外弯曲）具特征谱带；2340 cm^-1归因大气CO₂，不用于解释氢键或界面化学作用；S1与S2峰位和强度轻微变化，提示界面相容性和物理相互作用，无显著新吸收带，不表明新共价键形成。

讨论部分总结：研究人员指出本研究仅评价单一10 wt.%果皮粉加载量，不能确定最优填料浓度或浓度依赖趋势，10 wt.%不应视为优化配方；未来需研究0、5、15、20 wt.%等系列，并保持纤维含量、树脂/固化剂比例、固化条件、制备过程和试样几何一致；同时需多试样重复、统计显著性、定量粒径、定量孔隙和力学测试后断口SEM。研究未实验评价吸水性和湿热老化，而木质纤维素组分亲水，可能发生吸湿膨胀、塑化、界面弱化和力学性能退化；未来需研究吸水动力学、循环水和盐水浸泡、控温控湿老化、尺寸稳定性及老化后拉伸和弯曲性能保持。还需评价热稳定性、动态力学性能、冲击阻抗、长期耐久性、生物降解和生命周期评价，并发展表面处理和增强方法以改善纤维–基体结合、减少制备缺陷。研究结论部分翻译：本研究采用手糊成型成功开发了Palmyra palm husk fiber和Aegle marmelos果皮粉增强的可持续环氧生物复合材料；果皮粉加入显著影响拉伸行为，拉伸强度由仅Palmyra palm husk fiber复合材料的约12.0 MPa提高到14.1 MPa；S1和S2表观弯曲应力分别约为28.4 MPa和26.3 MPa，填料未提高峰值弯曲强度，但使失效响应更渐进并改善弯曲损伤容限；断口SEM显示局部纤维拔出、孔隙、裂纹和相对连续的基体–纤维接触，提供纤维–基体相互作用和断裂机制的定性证据，但未进行定量孔隙率和拔出测量；XRD确认果皮粉掺入后木质纤维素结构保持，Segal结晶度指数由19.30%略降至18.01%，表明相对结晶分数降低而非结构有序性增强，并出现26°和38°（2θ）额外衍射峰；FTIR通过1210 cm^-1和1580 cm^-1等特征木质纤维素官能团振动确认果皮粉成功掺入，且木质纤维素基本结构未改变；综合力学、结构、形貌和化学分析表明，Aegle marmelos果皮粉是改善Palmyra palm husk fiber增强环氧复合材料性能的合适且可持续生物填料。